DO SOL AO AQUECIMENTO A energia no aquecimento/ arrefecimento de sistemas
18-04-2013
Dulce Campos
A ENERGIA NO AQUECIMENTO/ ARREFECIMENTO DE SISTEMAS Mecanismos de transferência de energia entre sistemas a diferentes temperaturas
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Energia térmica é a fracção da energia interna de um corpo que pode ser transferida devido a uma diferença de temperaturas
∆ 𝑼 = ∆𝑬𝒔𝒆𝒏 + ∆𝑬𝒍𝒂𝒕 + ∆𝑬𝒒𝒖𝒊 + ∆𝑬𝒏𝒖𝒄 Energia Térmica – Vulgo “Calor”
Faz-se por mecanismos de CONDUÇÃO e CONVECÇÃO
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CONDUÇÃO TÉRMICA
Condução é um mecanismo de transferência de energia sob a forma de calor num meio material sem que ocorra transporte de matéria.
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CONDUÇÃO TÉRMICA • Pode ocorrer em sólidos, líquidos e gases, mas é preferencialmente, um mecanismo característico dos materiais sólidos.
• Nos líquidos e gases deve-se às colisões entre as suas moléculas constituintes, durante o seu movimento aleatório. • Nos sólidos deve-se às vibrações das partículas da rede. • Nos metais deve-se à combinação entre as vibrações entre as partículas da rede metálica a o transporte de energia pelos electrões livres. Não confundir condução térmica com condução eléctrica que está relacionada com um movimento ordenado dos electrões livres entre dois pontos que se encontram a potenciais eléctricos diferentes.
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CONVECÇÃO TÉRMICA
Convecção é um mecanismo de transferência de energia sob a forma de calor num meio material mediante transporte de matéria. Ocorre em fluidos (líquidos ou gases) através de correntes de convecção.
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Convecção Natural
• Movimento de massas de fluido, que provoca a transferência de energia sob a forma de calor de uma zona para outra. • É causado pelas diferenças de densidade devidas à expansão térmica
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Convecção Forçada
• Utilizam-se dispositivos mecânicos, como ventoinhas ou bombas, cuja função é forçar a saída das porções mais quentes do fluido, que se encontram junto aos componentes quentes da máquina , maximizando a convecção.
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Factores que influenciam o mecanismo de condução nos diferentes materiais
Taxa temporal de transferência de energia sob forma de calor através de uma parede de espessura L, área A e com uma diferença de temperatura T2 – T1 entre as suas duas faces.
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A condutividade térmica em casas de habitação Evitar as perdas de energia sob a forma de calor numa casa de habitação pode representar cerca de 22% de redução no consumo energético global
Estima-se que cerca de 60 % da energia usada para aquecimento durante o Inverno se escapa através das paredes, do tecto e do soalho.
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A condutividade térmica em casas de habitação Uma casa devidamente isolada é aquela onde as trocas de energia com o exterior são minimizadas, através da utilização das técnicas de construção adequadas e do recurso a materiais que possuam uma baixa condutividade térmica
É necessário considerar também os seguintes parâmetros para a construção de uma casa: localização; orientação; área exposta; cor das paredes; sombreamento.
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Colectores Solares
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Colectores Solares • reservatório de água friafunção de alimentar com água fria o reservatório térmico;
• reservatório térmico ou "boiler, função de armazenar e conservar a água quente para consumo (pelo que deve ser devidamente isolado, do ponto de vista térmico) • colector solar (plano), que absorve a energia solar, transmitindo-a para a água que circula no seu interior
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Colectores Solares •
Caixa hermeticamente fechada com uma cobertura de vidro ou outo material transparente.
•
Cobertura tem como principal finalidade provocar o efeito de estufa.
•
O interior do colector é feito de alumínio pintado de preto para que a absorção de energia radiante seja máxima.
•
Fixada à chapa de alumínio, encontrase a tubulação em cobre (condutibilidade térmica elevada) onde circula água, que também é pintada de preto.
•
Pelo mecanismo de condução, a energia transferida para a chapa e para os tubos é absorvida pela água sob a forma de calor aumentando a sua temperatura.
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Colectores Solares •
Uma vez aquecida, fica menos densa, gera correntes de convecção e sobe, indo para o reservatório. Ao mesmo tempo, a água mais fria desce para a parte inferior do reservatório. A água quente, pronta para consumo, é retirada da parte superior do reservatório, e uma nova quantidade de água é introduzida na parle inferior, prosseguindo o processo.
•
A cobertura de vidro permite minimizar as “perdas de calor” por convecção do ar que se encontra aprisionado dentro do colector solar, além de impedir que entrem dentro do colector as águas da chuva, materiais sólidos, poeiras, etc.
•
Apesar de a cobertura de vidro ser indispensável, sempre ocorrem nela “perdas de calor” por reflexão da radiação solar incidente, o que deverá ser minimizado
•
Para evitar “as perdas de calor” por condução no colector, a chapa de alumínio é isolada da parede exterior do colector com um material isolador térmico, geralmente poliuretano expandido ou lã de vidro.
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Conceito de Calor • Para os Gregos o calor era uma substância que entrava e saía dos objectos. • Até meados do século XIX o calor era encarado como um fluido : o fluido calórico (Lavoisier). • As experiências de Benjamin Thompson, conde de Rumford (1797) mostraram que havia uma equivalência entre calor e trabalho e evidenciaram a existência de uma quantidade que se conservava, assumindo embora formas diferentes e podendo estar em locais diferentes. Este é o ponto de partida para a formulação de uma lei geral de conservação da energia • O calor e o trabalho são dois processos de transferência de energia: o primeiro, devido ao facto de estarem em contacto dois corpos a temperaturas diferentes, é uma transferência desordenada; o segundo, resultando de trabalho macroscópico, é uma transferência ordenada.
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1ª Lei da Termodinâmica/Lei Conservação Energia
Mayer foi um dos cientistas que formulou esta lei, em 1842, partindo principalmente da reflexão teórica e analisando experiências realizadas por outros.
As experiências de Joule evidenciaram a equivalência entre calor e trabalho como processos de transferências de energia e permitiram calcular o chamado "equivalente mecânico do calor". Mostraram que a energia tem a propriedade de se transferir e de se transformar, conservando-se sempre
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1ª Lei da Termodinâmica/Lei Conservação Energia O enunciado mais geral da lei é o seguinte: Num sistema não isolado a variação da energia é igual à soma das energias transferidas de (ou para) as suas vizinhanças, sob a forma de calor e (ou) sob a forma de trabalho mecânico. • Isto é, se somarmos a energia do sistema com a das suas vizinhanças, essa soma é constante, embora, ao longo do tempo, ela possa assumir formas diferentes ou transitar de um local para outro.
…há uma certa quantidade, a que chamamos energia, que não varia durante as diversas mudanças que a natureza sofre. Esta é uma ideia muito abstracta porque é um princípio matemático. Não é a descrição de um mecanismo, nem algo de concreto: é justamente um facto estranho que possamos calcular um dado número e que, quando observamos a natureza, depois de levar a cabo as suas habilidades, e calculemos o número de novo, ele é o mesmo. Richard Feynman
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1ª Lei da Termodinâmica/Lei Conservação Energia
∆ 𝑼 = ∆𝑬𝒔𝒆𝒏 + ∆𝑬𝒍𝒂𝒕 + ∆𝑬𝒒𝒖𝒊 + ∆𝑬𝒏𝒖𝒄
Etotal = Ep macroscópica + Ec macroscópica + U
∆𝑬𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝟎
Sistema isolado
Se se considerar todas as contribuições energéticas, macroscópicas e microscópicas,
∆𝑬𝑷 𝒎𝒂𝒄𝒓𝒐𝒔 + ∆𝑬𝑪 𝒎𝒂𝒄𝒓𝒐𝒔 + ∆𝑼 = 𝟎
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1ª Lei da Termodinâmica/Lei Conservação Energia Num Sistema não
isolado que interage com as suas
vizinhanças, quer do ponto de vista mecânico quer do ponto
de vista termodinâmico
∆𝑬𝑷 𝒎𝒂𝒄𝒓𝒐𝒔 + ∆𝑬𝑪 𝒎𝒂𝒄𝒓𝒐𝒔 + ∆𝑼 = 𝑸 + 𝑾 + 𝑹 No caso particular dos sistemas termodinâmicos
∆𝑼 = 𝑸 + 𝑾 + 𝑹 ∆𝑼𝒔𝒊𝒕𝒆𝒎𝒂 𝒊𝒔𝒐𝒍𝒂𝒅𝒐 = 𝟎
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1ª Lei da Termodinâmica A variação de energia interna sofrida por um sistema termodinâmico não isolado é igual à soma algébrica da quantidade de energia transferida entre ele e as vizinhanças, por processos de calor, trabalho e radiação.
Convenção de Sinais • Tudo o que “entra” no sistema é positivo, provoca aumento de energia interna – ΔU >0 • Tudo o que “sai” do sistema é negativo, provoca diminuição de energia interna – ΔU<0
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1ª Lei da Termodinâmica: Caracterização dos Processos Os processos termodinâmicos podem ser caracterizados pelo facto de alguma propriedade do sistema - temperatura, pressão e volume - se manter constante durante o processo
Deriva do grego adiábatos, significa intransponível
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1ª Lei da Termodinâmica Descreve e gere todos os balanços energéticos que ocorrem num sistema termodinâmico, durante os processos termodinâmicos de interacção com as suas vizinhanças
Gere uma quantidade total de energia tendo em conta a sua conservação
Aplicações?
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1ª Lei da Termodinâmica: Aplicações. 1- Transferências de energia por absorção/emissão de radiação • Sistema - Isolado • Processo - Adiabático – Q=0 • Não é realizado trabalho sobre/pelo sistema – W=0
∆𝑼 = 𝑸 + 𝑾 + 𝑹 ∆𝑈 = 0 + 0 + 𝑅 ⟺ ∆𝑼 = 𝑹 As MO, ao serem absorvidas pelas moléculas de água dos alimentos, provocam o aumento da energia cinética vibracional e rotacional destas moléculas, aumentando a sua energia interna (o que resulta no aumento da temperatura dos alimentos).
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1ª Lei da Termodinâmica: Aplicações. 2- Transferências de energia por realização de trabalho Empurrar o êmbolo Compressão do gás
• Sistema - Fechado • Processo - Adiabático –> Q=0 • É realizado trabalho sobre o sistema–> W>0
∆𝑼 = 𝑸 + 𝑾 + 𝑹 ∆𝑈 = 0 + 𝑊 + 0 ⟺ ∆𝑼 = 𝑾 No caso inverso, puxar o êmbolo – expansão do gás, o sistema realiza trabalho sobre as suas vizinhanças, a sua energia interna sofreria uma diminuição igual a -W, isto é:
∆𝑼 = −𝑾
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1ª Lei da Termodinâmica: Aplicações 3- Transferências de energia sob a forma de calor Êmbolo fixo
•• as Sistema paredes - Fechado do cilindro e o próprio êmbolo são fronteiras diatérmicas - permitem trocas de • Processo - Isocórico –> W=0 calor com o exterior; • não há absorção nem emissão de radiação.
∆𝑼 = 𝑸 + 𝟎 + 𝟎
Por condução ocorre transferência de energia através das fronteiras do sistema. O aumento da energia interna do gás deve-se Por convecção, todolhe o foi gástransferida atinge a somente à energia que temperatura destas fronteiras sob a forma de calor Fonte quente
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1ª Lei da Termodinâmica: Aplicações De 2 e 3 vimos que: Em processos adiabáticos, a variação de energia interna do sistema é igual ao trabalho mecânico realizado pelo ou sobre o sistema.
Em processos isocóricos, a variação da energia interna é igual ao calor transferido de ou para o sistema
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Transferências de energia sob a forma de calor: Consequências? Transferência de energia sob forma de calor pode ser detectada macroscopicamente de duas formas
Variação de Temperatura
𝑄 =𝑚𝑐△𝑇
Capacidade térmica mássica (Jkg-1K-1)
Mudança de estado Físico
𝑄=𝑚𝐿
Calor transformação mássico Calor Latente de …
𝛥U= m c ΔT
Δ𝑈 = 𝑚𝐿
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Temperatura em função do tempo de aquecimento e da energia fornecida
